fotogrametride üç boyutlu şehir modelleme teknikleri ve cbs kullanımı

Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
FOTOGRAMETRİDE ÜÇ BOYUTLU ŞEHİR MODELLEME TEKNİKLERİ
VE CBS KULLANIMI
(3D CITY MODELLING TECHNIQUES IN PHOTOGRAMMETRY & GIS USAGE)
Ekrem UÇAR
Bahadır ERGÜN
ÖZET
Fotogrametri Bilimi ve Coğrafi Bilgi Sistemlerinin (CBS) artık ayrılmaz bir bütün olduğu
tartışılmaz bir gerçektir. Bu bütünlüğü gelişen teknoloji ile tamamlayan ise üç boyutlu şehir
modelleridir. Üç Boyutlu şehir modelleri teknik olarak elde edilen son grafik ürün olmasına
karşın, CBS için görselleştirmenin en ön noktasını oluşturmaktadır. Bu makalede,
fotogrametrik olarak elde edilen son ürün olan üç boyutlu şehir modellerinin görselleştirilmesi
ve bunu sağlayan; modelleme, kaplama ve animasyon tekniklerini kullanım yöntemleri ile
beraber açıklanmaktadır.
ABSTRACT
The undisputed real is that the Photogrammetry Science and Geographical Information
System (GIS) are unseparable combination. The three dimensional City Models have been
used for this combination with developing technology. Though, three dimensional city model
which is the last technical product of the graphical data, have been used for the first level of
pedestial work of visualization about GIS. In this article, visualization of three dimensional
city models which are produced with photogrammetry for the last product have been
explained with the 3D modelling, rendering and animation techniques.
1. GİRİŞ
Günümüzde CBS’in, sadece sorgulama yapabilen bilgi sistemi yazılımı olarak
geliştirilmesinden öte, daha gerçekçi şekilde gerçek dünyayı anlatması istenir. Bu gelecek
için düşünülen gerçek model (reality model) ifadesinin bir sonucudur. Görüntüleme
“Visualisation” teknolojisi bilgisayar teknolojisine paralel olarak, işlemcinin gücü ile birlikte
güçlenmektedir. Artık daha gerçekçi görüntüler yerine gerçeğinin aynısı olan, kendi
fotoğrafları ile kaplanan cisimler için, sanal ortamda üç boyutlu olarak
görüntülenebilmektedir.
Temel prensipte animasyon ve sinema sanayisi için geliştirilen bu yöntemler CBS
teknolojisinde üç boyutlu görsel sorgulama ve bilgilendirmenin yapılması amacına yönelik
olarak uygulanmaktadır /2/.
Üç boyutlu modelleme ve animasyon destekli arazi ve şehir modellerinin oluşturulması ve
elde edilen ürünlerin CBS tabanlı kullanımı için yapılan çalışmalar;
a-Üç Boyutlu Modelleme (Modelling),
b-Görüntü Kaplama (Rendering),
c-Animasyon (Animation),
d-Üç Boyutlu Sorgulama (3D Query),
olarak sıralanabilir /2/. Bunlara sırası ile aşağıda değinilmiştir.
48
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
2. FOTOGRAMETRİDE KULLANILAN
TEKNİKLERİ (3D Modelling)
ÜÇ
BOYUTLU
MODELLEME
Üç boyutlu modelleme için kullanılan yöntemler, tamamen mesleki olan jeodezik ve
fotogrametrik çalışmaları içeren klasik yöneltme, değerlendirme ve çizim aşamalarından
oluşur. Jeodezik koordinatlandırma çalışmalarının ardından objelerin yerden ya da havadan
fotogrametrik resimlerinin çekilmesi veya uydu görüntülerinin sağlanması ile başlayan süreç,
üç boyutlu sayısal yüzey modelleri ve üzerindeki detayların üç boyutlu olarak
konumlandırılması ile üç boyutlu şehir modellerinin oluşturulması için altlıkların
hazırlanması ile tamamlanır (Şekil-1).
Şekil-1: Kullanılan Altlıklar (Vektör – Raster)
Üç boyutlu modelleme içinde en önemli konulardan birisi de sayısal arazi modellerinin
elde edilmesidir. Fotogrametrik yöntemlerle elde edilen sayısal arazi modellerinin yanında, bu
iş için özellikle üretilen yazılımlar kullanılarak bir fonksiyon yardımı ile otomatik ya da yarı
otomatik sayısal arazi modeli üretimi yapılmaktadır (Şekil-2).
Kontrol Noktası
Bağlama Noktası
Şekil 2: Oluşturulacak Sayısal Arazi Modeli İçin Kullanılan Nokta Dağılımı Örneği
49
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
Üç boyutlu şehir modellerinde, gereksiz bina detayı olarak kabul edilen objeler (balkon,
saçak vb.) üç boyutlu olarak çizilemeyen detaylardır. Bunlar daha sonra üç boyutlu olarak
çizilen binaların çatı konumlarından, otomatik veya otomatik olmayan yöntemler ile bina
hatlarının sayısal yüzey modeline kadar indirilmesi ile tamamlanır. (Şekil-3).
Şekil-3: Bina Modellerinin Sayısal Arazi Modeline Kadar Kapatılması
Bu detaylar modellerin çiziminde ihmal edilir. Ancak istendiği takdirde çeşitli animasyon
teknikleri ile resimler yardımı ile görsel etki olarak ifade edilebilir /4/.
a. Görüntü Kaplama (Rendering)
Sanal dünyanın gerçeğe en yakın görselleştirilmesi için gerçek görüntülerin kullanılması
gereklidir. Bu husus fotogrametri açısından modellemenin doğruluğu kadar, animasyonunu
da bilmeyi gerektirir. Gerçek olarak üç boyutlu şehir modellerinin hazırlanmasında en önemli
nokta, yersel ve hava fotoğraflarının üç boyutlu modelde birlikte kullanılmasıdır. Bunun için,
sanal gerçeklik (virtual reality) tekniklerinden birisi olan görüntü kaplama tekniği kullanılır
(Şekil-4).
Topoğrafik olarak sayısal yüzey modeli, üç boyutlu olarak fotogrametrik yöntemler ile
belirlenmiş, çıplak ya da ince örtülü yüzeyler (0-1.5 m yüksekliğe kadar bitki örtüsü ile kaplı
yüzeyler) sadece hava fotoğrafları ya da yüksek çözünürlüklü uydu görüntüleri kullanılarak
oluşturulabilir ve kaplanabilir /4/.
50
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
Şekil-4: Görüntü Kaplama Tekniği
Burada öncelikle kaplamada kullanılacak tüm resimlerin, tüm objeler için ayrı ayrı sayısal
yüzey modeli kullanılarak uydu görüntüleri ya da hava fotoğraflarının diferansiyel
yataylaması yapılır. Teknik olarak kaplama işlemi, resim üzerindeki iki boyutlu piksel
örtüsünün üç boyutlu sayısal arazi modeli üzerine örtülmesidir /4/. Bu işlem sonrasında iki
boyutlu resmi oluşturan piksellerin geometrisi bozulacaktır. Bu bozulma sanal gerçekliği
oluşturan görüntüyü ve görüntünün doğru algılanmasını bozacaktır. Bunu önlemek için, ya
sayısal arazi modeli ölçeği değiştirilir ya da ayırma gücü yüksek görüntüler kullanılır. Teknik
açıdan, kullanılan bilgisayar sistemlerinin gücünün yüksek olması gereklidir (Şekil-5). Eğer
ikisi de gerçek bir görüntüleme için sonuç vermiyorsa yamalama (patching) tekniği kullanılır
(Şekil-6).
Şekil-5: Gerçek Hava Fotoğrafı ile Kaplama
51
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
Şekil-6: Gerçek Uydu Görüntüsü ile Kaplama
Bu teknik, piksel bozulması sonucunda görüntü olarak doğru ifade edilemeyen yüzey
modellerinin, farklı resimlerden yüzeye giydirilmesi ve diğer resimlerle olan renk ve ton
farklılıklarının giderilmesi işlemidir. Yapılan bu çalışmalar sonunda elde edilen gerçeğe
yakın üç boyutlu arazi modeli üzerinde, çeşitli uçuş ve gezinti animasyonları
yapılabilmektedir /1/.
Çıplak olmayan, 1.5m den yüksek ve sık bitki örtüsü ya da şehir, kasaba, köy gibi yerleşim
yeri bulunan bölgelerdeki sayısal yüzey modelinin üç boyutlu olarak belirlenmiş kaplama
tekniği ise daha farklı teknikler yardımı ile yapılır (Şekil-7).
Şekil-7: Binanın Havadan Alınan Yüzey Görüntüsü ile Kaplanması
Topoğrafik yüzeyin bulunduğu yerler için yukarıda anlatılan teknik kullanılır. Bina veya
bitki örtüsü için ise bu alanlara gelen kaplamalar kesilip atılarak bu bölgelerin havadan ya da
üç boyutlu şehir modellerinde gerçekliği arttırmak amacı ile yersel fotogrametri kullanılarak
52
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
yerden alınan fotoğrafları bina cephelerine giydirilerek üç boyutlu sanal gerçeklik elde
edilebilir (Şekil-8,9).
Şekil-8: Yersel Binanın Yersel Fotoğraf ile Kaplanması
Şekil-9: Yersel Fotogrametrik Düşeye Çevirme ve Yamama ile Kaplama
Yamama olarak düşünülse bile kullanılan bu yöntemler, özellikle bina çatılarının tek tek
yerine otomatik olarak kaplanması için çeşitli tekniklerin geliştirilmesi ile daha
hızlandırılmıştır (Şekil-10) /3/.
Temel olarak günümüzde kaplama işlemi, bir görüntü işleme tekniğine dönüşmüş olsa da
fotogrametrik olarak her yüzeyin mutlak düşey resim ile kaplanması, sanal gerçekliğin
geometrik olarak en doğru şekilde verilmesini sağlamaktadır. Aslında, obje konum ve
boyutlarının belirlenmesindeki doğruluk, en doğru izdüşümde düşeye çevirme yapılması
anlamına da gelmektedir /1,3/.
53
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
Şekil-10: Üç Boyutlu Bina Modeli ve Kaplaması
b. Animasyon (Animation)
Animasyonun başarısı esas olarak, yazılımın ve sistemin gücü ile orantılıdır. Animasyon,
elde edilen üç boyutlu şehir modellerine sanal gerçeklik uygulamaları olarak; üzerinden uçuş,
şehirde ve sokaklarda gezinti, görüntüde yaklaşma ve uzaklaşma gibi adımları içeren
görüntüsel hareketleri içermektedir (Şekil-11, 12, 13).
Şekil-11: Üç Boyutlu Şehir Modeli Üzerinde Uçuş Animasyonu
Şekil-12: Üç Boyutlu Şehir Modeli Animasyon Filmi
54
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
Şekil-13: Üç Boyutlu Şehir Modeli Sokak Animasyonu
c. Üç Boyutlu Sorgulama (3D Query)
Oluşturulan üç boyutlu şehir modelleri ve bunların animasyonu esas itibari ile görsel bir
eğlence olmasından ziyade başta da belirtildiği üzere, üç boyutlu CBS sistemlerine altlık
oluşturulması ve sorgulamaların görselleştirilmesine yönelik çalışmalar yapılması amacını
taşır (Şekil-14).
Şekil-14 : Üç boyutlu Şehir Modelinde Sorgulama Örneği
Üç boyutlu ölçme ve sorgulamaların, bu altlıklardan yapılabilmesi ve özellikle ölçmelerin
hassasiyeti bakımından şehir içindeki imar faaliyetlerini ve bir takım inşaat işleri için gerekli
olan sorgulama ve ölçmelerin araziye çıkılmadan ve hatta arazide hiçbir ölçme aleti
kullanılmadan yapılabilmesi amacına yöneliktir (Şekil-14). Dolayısıyla üç boyutlu şehir
modellerinde gerçeğe uygunlukla beraber doğruluk, birinci derecede önemlidir.
Günümüzdeki tüm çalışmalar bu ana fikir doğrultusunda yapılmaktadır /1,3,4/.
55
Hrt.Gn.K.lığı, Harita Dergisi Sayı: 132
3. SONUÇ
Yakın gelecekte, üç boyutlu şehir modelleri bilgisayar ortamında gerçek hayatın tam olarak
tasvir edilebilmesini sağlayan temel altlığı oluşturabilir. Bu çalışmalar sonucunda bir gün
tüm dünya her santimetrekaresi ile üç boyutlu olarak şehir modelleme teknikleri ile gerçek
ölçekte bilgisayar ortamında oluşturulabilir ve tüm haritacılık ve yön bulma işlemleri görsel
olarak dünyanın her yeri için yine dünyanın her yerinden bilgisayar ortamından yapılabilecek
duruma gelecektir. Böyle bir sistem oluştuğunda ofisimizde çalışırken bilgisayarımızdan Ant
Dağları üzerinde üç boyutlu ölçmeler yapmak, bir yandan da Sidney şehir merkezinde üç
boyutlu turistik bir gezinti yapabilecektir. Böyle olanaklar elde edildiğinde, CBS artık hayatın
akla gelebilecek her alanında görselleştirme ile birlikte insanların vazgeçemediği bir hizmet
olacaktır.
KAYNAKLAR
/1/ Destruel C., Valorge C. : Automatic 3D Rendering of High Resolution Space Images,
ISPRS 2004 Proceedings Comission V, 2004
/2/ Ergün, B.
: Üç Boyutlu Modelleme ve Animasyon Teknikleri Dersi Notları,
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Jeodezi ve Fotogrametri
Müh.Bölümü, 2003
/3/ Kersten, Th.
: 3D Acquisition, Modelling and Visualization Of North German
Castles by Digital Architectural Photogrammetry, ISPRS 2004
Proceedings Comission V, 2004
/4/ ShiuanFu C., Jie S.
: 3-D Building Reconstruction from Unconstructed Distinc
Points, ISPRS 2004 Proceedings Comission III, 2004
56